Pilotní projekt BIM – přeložka silnice na obchvatu Uničova s mostním objektem

V naší firmě již od roku 2010 zpracováváme výrobní výkresy ocelových mostů plně ve 3D v programu NX Siemens. Způsob naší práce jsme již dříve prezentovali i na předchozích ročnících sympozia Mosty. Při zpracování výrobních výkresů ocelových mostů v NX pracujeme běžně s atributy, které mohou být navázány na každou jednotlivou entitu (solid, face, curve), na komponentu představující jednu položku (plech, profil, šroub…) nebo na celou sestavu (montážní dílec). Atributy si můžeme libovolně definovat a „měřitelné“ atributy automaticky plnit (objem, povrch, hmotnost, …).

OD VÝROBNÍCH VÝKRESŮ OCELOVÝCH MOSTŮ K BIM

Celý model je asociativní, a proto při jeho editaci dojde i k aktualizaci jednotlivých atributů. V průběhu času jsme se naučili tento program efektivně využívat včetně hromadné práce s atributy. Máme také k dispozici mnohé nástroje, které jsme si nechali naprogramovat na míru, a které nám práci výrazně ulehčují.

Jako asi každá projekční firma jsme sledovali vývoj v oblasti BIM modelování. Vzhledem k velikosti a zaměření naší firmy nebyla reálná možnost dosáhnout na pilotní projekty BIM, které zadávalo ŘSD nebo SŽ(DC). Na začátku roku 2020 jsme se proto rozhodli v praxi ověřit náš předpoklad, že naše zkušenosti s 3D-modelováním ocelových konstrukcí společně s možností zadat jakékoliv atributy by nám měly umožnit vytvořit BIM model mostní konstrukce v programu NX Siemens (vždyť co jiného je BIM, než 3D-model, ve kterém jsou přiřazeny entitám atributy podle definovaných pravidel…). Pro náš interní pilotní projekt BIM jsme vybrali projekt „Přeložka silnice II/449, II/444 v Uničově v délce 1 500 m (SZ část obchvatu I. etapa)“, pro který jsme v té době zpracovávali projekt ve stupni DSP. Projekt byl zpracován klasickým způsobem a paralelně jsme chtěli vytvořit BIM model pro vybraný úsek o délce 500 m, který zahrnoval silnici (SO101) a mostní objekt (SO202) přes trať ČD.

Silniční část modelu BIM jsme zpracovali v programu Autodesk Civil 3D. V rámci pilotního projektu jsme si chtěli ověřit, zda budeme schopni výstupy z programů Civil a NX zkombinovat do společného BIM modelu tohoto vybraného úseku.

PODKLADY PRO ZPRACOVÁNÍ BIM MODELU

Schopnost vytvořit 3D-model mostu nebo silnice ve zvoleném programu a umět zadat atributy je pouze první předpoklad pro zvládnutí BIM. Další významným krokem je nastudování předpisů konkrétního zadavatele, jak má 3D-model vypadat (způsob modelování jednotlivých prvků, úroveň detailu) a jaké atributy je třeba těmto prvkům zadat.

Pro stavby dopravní infrastruktury zajišťuje přípravu předpisů pro informační modelování staveb v České republice Státní fond dopravní infrastruktury (SFDI). Začátkem roku 2020 byly veřejnosti k dispozici tyto dokumenty:

• Předpis pro informační modelování staveb (BIM) pro stavby dopravní infrastruktury, Datový standard pro PDPS, Prozatímní verze (září 2019) Příloha č. 1, Datový standard pro silniční stavby PDPS Příloha č. 2, Datový standard pro železniční stavby PDPS
• Metodika BIM protokolu pro smluvní standard FIDIC, Prozatímní verze (září 2019)
• Metodika pro výběr společného datového prostředí (CDE), Prozatímní verze (září 2019)
• Koncept – Požadavky na Plán realizace BIM (BEP) pro dopravní infrastrukturu, Prozatímní verze (září 2019)

Protože byl začátkem roku 2020 k dispozici pouze datový standard pro PDPS, zpracovali jsme náš BIM model podle tohoto předpisu.

V současné době je již veřejnosti k dispozici „Předpis pro informační modelování staveb (BIM) pro stavby dopravní infrastruktury, Datový standard, DÚR, DSP, PDPS (říjen 2020)“, který byl schválen dne 23. 2. 2021 Centrální komisí Ministerstva dopravy. V tomto novějším standardu byly především doplněny požadavky pro nižší stupně projektové dokumentace (DÚR a DSP) a taktéž doplněny některé skupiny vlastností pro širší spektrum stavebních objektů. Na námi zpracovaný model ve stupni PDPS však toto doplnění nemělo zásadní vliv.

Dále je k dispozici k dispozici „Plán pro rozšíření využití digitálních metod a zavedení informačního modelování staveb (Building Information Modelling – BIM) pro dopravní infrastrukturu, aktualizace (červen 2021)“, který doporučuji k prostudování. Podle tohoto dokumentu se na konci roku 2022 plánuje 60 % všech nadlimitních veřejných zakázek zadat v režimu BIM a od druhé poloviny roku 2023 pak 100 %.

DÍLČÍ BIM MODEL MOSTNÍHO OBJEKTU

Nový mostní objekt „SO202 – Most přes trať SŽDC“ je jednopolový s teoretickým rozpětím 27,0 m. Hlavní nosnou konstrukci mostu tvoří dva plnostěnné ocelové svařované nosníky proměnné výšky. Mostovka je tvořena ocelovými příčníky, které jsou spřaženy se železobetonovou deskou. Most je doplněn chodníkem, který je vynesen na konzolách mimo hlavní nosnou konstrukci mostu.

Pro BIM je třeba nově definovat rozhraní mezi mostním objektem a silnicí, a to jako svislou rovinu kolmou na osu komunikace. Místo rozhraní je voleno tak, aby k mostu náležela i kompletní přechodová oblast za opěrou. Takto definované rozhraní oproti dřívějším zvyklostem přiřazuje mostnímu objektu také vozovkové vrstvy v přechodové oblasti a částečně tím narůstá obsáhlost výkazu a rozpočtu. Celá přechodová oblast mezi typickým příčným řezem komunikace a mostem je tedy zpracována v mostním objektu. Toto dělení je vhodné i s ohledem na skutečnost, že speciální programy pro modelování liniových staveb jsou většinou méně vhodné pro vytváření netypických detailů v okolí mostů.

Pro modelování stávajícího terénu jsme použili nejjednodušší možný přístup, a sice body z běžného zaměření terénu jsme importovali do 3D-modelu v programu Civil a vytvořili triangulací model terénu. V programu NX je však omezen modelovací prostor na krychli o hraně 1 km. Celý objekt SO202 byl vytvořen v lokálním souřadném systému, který byl odvozen od S-JTSK posunutím o definované ΔX a ΔY. Proto jsme i model terénu museli před importem do programu NX přizpůsobit tak, aby se vešel do zmíněných limitů.

I přes dlouholeté zkušenosti s 3D modelováním mostů je tvorba informačního modelu časově značně náročnější než vytvoření standardní 2D dokumentace v programech typu AutoCAD. Určitý přínos má 3D model ve své asociativitě. V případě potřeby lze upravit určité parametry a přepočítat automaticky s tím i všechny dotčené položky a eventuálně výkazy. Další nespornou výhodou je možnost zobrazení geometrie v prostoru pro lepší představu projektanta, a pro odhalení nevhodně řešených detailů, které jsou těžko viditelné ve standardní dokumentaci. Jako konkrétní příklad výhody BIM modelu uvádíme úpravu výšky křídla opěry. Díky šikmosti křídla a zároveň proměnnému sklonu náspu by se geometrie velice obtížně konstruovala ve 2D.

Na obr. 3 jsou znázorněny dva povrchy svahu. Druhý, fiktivní povrch byl vytvořen pro rozšíření náspu při případném vybudování cyklostezky podél komunikace. Výška křídla proto byla upravena tak, aby pokryla eventuální rozšíření tělesa náspu. V běžné 2D dokumentaci by taková vhodná úprava asi nebyla provedena.

Jak už jsem zmiňoval výše, vytvořený model lze využívat při odečítání přesnějších kubatur materiálů, hmotností nosné konstrukce, nátěrových ploch atd. Na obr. 4 jsou vidět jednotlivé prvky (entity) modelu, ze kterých lze odečítat jejich vlastnosti. Kolem základu opěr si můžete všimnout tělesa výkopu zeminy, které je shora přesně omezeno importovaným povrchem zaměření stávajícího terénu. Opět tímto získáváme přesnější údaje o objemech dané položky. Podrobnost rozdělení jednotlivých částí konstrukce odpovídá stupni projektové dokumentace a řídí se datovým standardem vydaným SFDI. Ve fázi PDPS je pak toto dělení uzpůsobeno tak, aby bylo možné provedení nacenění stavby a jednotlivým entitám bylo ideálně přiřazeno i číslo položky dle zvoleného třídníku.

Export modelu z programu NX do formátu IFC zajišťuje samostatný modul, který je bohužel velmi nákladný a v současné době má velmi omezené možnosti nastavení. Nelze tak například určit které atributy se mají s modelem exportovat, a proto ve výsledném modelu nalezneme i automaticky generované parametry, které zbytečně znepřehledňují prohlížení informačního modelu. Program NX pracuje v základních jednotkách [mm] a při exportu do IFC není možnost tyto jednotky změnit. I když datový standart SFDI určuje jako základní jednotku pro modely [m], připouští pro dílčí objekty použití jednotky [mm]. Informace o použitých jednotkách jsou zaneseny v hlavičce formátu IFC a proto je možné zobrazovat více modelů v odlišných jednotkách bez nutnosti upravovat jejich měřítka. Zatím jsme byli nuceni používat formát IFC verze 2.3 jelikož při exportu do formátu IFC4 jsou programem NX vytvářeny entity typu „IfcAdvancedBrep“ (např. pro parabolický horní pas nosníku), které bohužel žádný z námi testovaných prohlížečů nedokázal správně zobrazit a některý kvůli tomu neumožnil vůbec takový model otevřít. Do formátu IFC je aktuálně možné exportovat entity pouze typu solid a face. Entity typu curve (např. pro osu mostu) vyexportovat nelze, vhodná je proto náhrada tělesem o jednotkovém průřezu.

Projekt se ani v budoucnu neobejde bez výkresů. Pro plné využití výhod BIM je třeba vytvořit výkresy asociativně na základě 3D-modelu mostu. Běžně takto v NX úspěšně vytváříme výrobní výkresy ocelových mostů. Vytvořit asociativně výkresy mostního objektu v NX je určitě možné. Klasické projekční výkresy mostů však mají svá specifika, která se obtížně přenáší do výkresů tvořených výhradně nad 3D-modelem. Příklad řezu vytvořeným asociativně nad modelem v programu NX je vidět na obr. 2.

DÍLČÍ BIM MODEL SILNICE

Jak už bylo uvedeno, pro BIM model silniční části byl použit program Autodesk Civil 3D ve verzi 2020. Tento program byl využit i k samotnému projektu. Pro potřeby BIM však bylo nutné zadání výrazně rozšířit.

Samotný projekt silnice byl vytvořen standardním způsobem. Ze zaměření byl vytvořen model povrchu, následně došlo k návrhu samotné trasy. Pak bylo nutno navrhnout výškové vedení nivelety a na závěr vytvoření modelu pomocí šablony, která vedením po prostorové křivce nivelety vytvořila na základě předdefinovaných podmínek samotné těleso komunikace. Z tohoto tělesa pak byly vytvořeny výkresy půdorysu, podélného profilu a příčných řezů.

Pro dopracování do potřebného rozsahu BIM bylo nutno doprogramovat šablonu použitou pro vytváření tělesa komunikace. Zde bylo nutno s velkou pečlivostí nadefinovat všechny body/linie/plochy, jejich názvy a další parametry. Jednalo se o mravenčí práci, která zabrala velké množství času. Samotná šablona je pak základním stavebním kamenem celého systému a dle názoru autora je nutné si tuto šablonu sám vytvářet, nebo ji alespoň znát do poslední podrobnosti. Po úplném dopracování šablony a množství úprav pak už stačilo vyexportovat z koridoru (termín pro těleso komunikace používaný v programu Civil 3D) samotné linie/plochy/tělesa a následně provést export do formátu IFC.

Celý postup je popsán zjednodušeně. Samotný proces byl však komplikovaný a bylo nutno řešit množství vzniklých problémů. Několik z nich bylo konzultováno s podporou Autodesku. Výsledný model vytvořený za pomoci softwaru Civil 3D je však autorem hodnocen pozitivně. Nicméně má to svá úskalí, na která bude muset Autodesk jednoznačně zareagovat. Přestože se jednalo o krátký a jednoduchý úsek, byla práce s naprogramováním automatického plnění, respektive práce s již exportovanými 3D modely náročná na software a hardware (pomalá reakce…).

Civil pracuje v jednotách [m] a je možný přímý export do formátu IFC2.3, IFC4, IFC4.1.

Během vytváření těles komunikace dochází k chybám v oblastech, kde je problematické vydefinování tělesa na základě trasy a šablony – viz obr. 5. Tento problém je obecně znám a nemá zatím uspokojivé řešení. Vzniklé chyby v tělese lze řešit pouze úpravou šablony a trasy.

CELKOVÝ BIM MODEL

Pro vytvoření celkového BIM modelu jsme vyzkoušeli několik programů. Nicméně je nutno podotknout, že se značně liší, co se kompatibility s jednotlivými verzemi formátu týče. Stává se, že prohlížeče nejsou schopny „držet krok“ s podporou nejnovějších verzí formátu. V některých případech zobrazí nepodporované entity špatně a v jiných soubor vůbec nelze otevřít. Dobré výsledky se zobrazením lze dosáhnout se starším formátem IFC2.3. U některých programů jsme se setkali také s problémem vykreslení modelu v souřadnicích S-JTSK. Software zde vykresluje geometrii mnohdy s přesností na desetiny milimetru, avšak tisíce kilometrů od počátku souřadného systému. V roce 2023 se očekává nové vydání normy EN ISO 16739, která bude definovat formát IFC4.3. Zdá se, že dodavatelé softwaru zatím vyčkávají s dalším vývojem na definici tohoto formátu. Co se čtení a práce s formátem IFC týče, podrobněji jsme otestovali programy BIMvision (datacomp) a DESITE BIM (thinkproject). Níže uvádíme získané zkušenosti s tímto softwarem.

BIMvision:

• lze otevřít více modelů, umí transformovat celý projekt na jiné souřadnice (ΔX, ΔY)
• nelze přeuložit model v nových souřadnicích, posuny si eviduje jen interně
• nelze vygenerovat společný IFC soubor, pokud nejsou dílčí modely ve stejných jednotkách a stejném formátu (tj. nelze sloučit dílčí modely z NX a ze Civil)
• na prohlížení, měření a vyhodnocení kolizí se nám zdál uživatelsky nejlepší DESITE

BIM:

• jedná se prohlížeč propojený s velmi rozšířeným CDE EPLASS v německém prostředí
• umí otevřít více modelů, umí transformovat kterýkoliv model (posun i pootočení)
• umí generovat společný soubor IFC nebo přeuložit jednotlivé modely do IFC4 [m]
• při vytváření IFC souboru lze vybrat atributy, které budou exportovány a vyčistit tak IFC soubor od nepotřebných atributů

Na obr. 6 lze vidět celkový koordinační model úseku stavby v programu BIMvision, včetně zobrazení atributů zvolené entity.

ZÁVĚR

Náš pilotní projekt BIM nám ukázal, že jsme schopní menší mostní objekt s přilehlou komunikací zpracovat v režimu BIM. Díky tomuto projektu jsme se zorientovali v celé problematice a narazili na oblasti, kterým se budeme muset dále věnovat.

Jako další výzvy vidíme:

• vytvořit kompletní 2D-dokumentaci mostního objektu asociativně na základě 3D-modelu pro BIM
• provázat 3D-model na výkaz a tvorbu rozpočtu (v aktuálním projektu bylo již částečně využito odečítání kubatur z 3D modelu mostu)
• vyzkoušet režim BIM na větším silničním a mostním objektu
• nadále sledovat vývoj předpisů SFDI a formátu IFC
• nadále zkoušet různé prohlížeče a vybrat optimální pro naše nasazení v kombinaci s programem NX Siemens
• rozšířit naše znalosti v oblasti využití různých CDE (common data enviroment)
• doplnit do BIM modelu časovou složku (např. harmonogram výstavby)

Vidíme však, že cesta od pilotního projektu k plnému nasazení konceptu BIM pro projektování staveb dopravní infrastruktury bude ještě dlouhá a náročná. Až zpracování pilotního projektu BIM nám ukázalo celou šíři problematiky a zůstává mnoho oblastí, kde chybí uspokojivé odpovědi.

Ing. David Franc
Ing. Miroslav Loučka
Ing. Michal Sochorec